毫無疑問有 重力波探測 一席之地。
一、重力波是什麽？
簡單來說重力波是愛因斯坦廣義相對論預言的一種時空的漣漪。
在廣義相對論中，重力被描述為重力源引起的時空彎曲，時空本身也被賦予了動力學概念而非單純物理運動的背景。重力源運動引起的時空結構改變，就會產生幾何曲率震蕩現象，在傳播過程中會擠壓或拉伸時空，也就是重力波。
重力波在我們生活中無處不在，有質素物體加速運動時會在時空中產生漣漪，而我們自身的一舉一動其實也會產生重力波，但由於太過微弱而無法察覺到。
最早是 1974 年 Hulse 和 Taylor 等人發現了脈沖雙星 PSR B1913+16，這個雙星系統在彼此互相公轉時，由於不斷散發重力波而失去能量，因此逐漸相互靠近，公轉周期變短的觀測值和廣義相對論預言的由重力輻射引起雙星軌域變小的理論值十分接近。由此間接驗證了廣義相對論，他們兩人也因此獲得了 1993 年諾貝爾物理學獎。
在 2016 年 2 月 11日，激光幹涉重力波天文台（簡稱 LIGO）科學團隊和處女座幹涉儀團隊共同宣布，人類於 2015 年 9 月 14 日首次直接探測到重力波，源自於雙黑洞合並。
而這距離愛因斯坦提出廣義相對論已經過去了整整一百年。
LIGO 探測器工作原理基於幹涉測量：兩束相幹光在不同臂上傳播，假設一束光在長為 L 的臂上傳播，當重力波經過時，空間會發生微小的變化，導致臂長變化 \Delta L ，引起幹涉條紋的變化。重力波的訊號以應變 h 來刻畫，其量級通常為 h\sim 10^{-21} 甚至更小：
h = \frac{\Delta L}{L}.\\ 為了直觀說明重力波探測精度的要求，我這裏以 LIGO 為例做說明。
LIGO 的臂長大約是 4 公裏，典型的重力波應變量級是 h\sim 10^{-21} ，這也就意味著重力波透過時，4 公裏的臂長只會變化 \Delta L = h\times L = 4\times 10^{-18}\mathrm{m} ，而這大約是一個質子尺寸的千分之一。因此，LIGO 需要探測比質子直徑還要小一千倍的空間變化。
又或者，想想地球與除太陽以外最近的恒星比鄰星，距離大約是 4 光年，也即 4\times 10^{16}\mathrm{m} 。探測精度要求相當於在這麽遠的距離上測量出比人類頭發直徑（大約 10^{-5}\mathrm{m} ）還要小的變化。
二、重力波探測有什麽意義
重力波提供了一種全新的探索宇宙的視窗，主要因為它們具有與電磁波完全不同的傳播方式、資訊來源和探測能力。
電磁波在宇宙中傳播時，容易被物質遮擋、吸收或散射。比如星際塵埃、氣體雲等會阻擋電磁波，這也是為什麽我們要從不同電磁波波段來探測宇宙，不同波段的探測往往會帶來新的資訊。
重力不會與物質發生顯著的相互作用，可以穿越這些層層障礙，幾乎不受阻礙地傳播。因此，重力波可以探測到隱藏在高密度物質後面或深處的天文現象，揭示天體的內部構造和內部物質運動狀態。
此外由於重力波與大質素天體密切相關，能探測沒有電磁輻射的、傳統的電磁輻射天文學沒法探測的天體及暗物質、黑洞等，或許它未來也能揭開占據宇宙組分 95% 以上的暗能量和暗物質的神秘面紗，也為量子重力的探索提供一個途徑。
除了這些科學意義外，發展重力波探測也有極強的軍工意義。
這種超高精度的要求發展出來的一系列技術，如高精度重力參考傳感器、星間超高精度激光幹涉測量、高精度衛星編隊、無拖曳控制技術等眾多技術對於空間科學、國家戰略都有重要價值。
三、空間重力波探測
地面重力波探測容易受到地表震動、各種雜訊的影響以及幹涉臂長的限制，探測頻段被限制在 10 Hz 以上。
為了探測中低頻（0.1 mHz 到 1 Hz）的重力波，由此發展了空間重力波探測，這使得空間探測器能夠探測來自超大質素黑洞合並、早期宇宙暴漲期的重力波背景、以及某些可能未知的未被地面探測器覆蓋的重力波源。由於在太空中不存在地震、熱雜訊、大氣擾動等問題，空間探測器能達到極高的雜訊隔離，特別是在低頻段有顯著的優勢。
目前國際上最早提出空間重力波探測方案的是 1973 年歐美聯合提出的 LISA 計劃，2017 年最新批準的 LISA 的臂長為 250 萬公裏。2015 年 LISA 的技術驗證衛星任務 LISA 探路者成功發射，在軌實驗也取得超預期的進展。
2021 年 9 月 15 日 Nature 也刊登了一篇介紹中國空間重力波探測專案的文章。
其中「天琴計劃」是中國科學院羅俊院士於 2014 年 3 月在華中科技大學的一次國際會議上提出，2015 年 7 月在中山大學發起的空間重力波探測計劃，臂長大約為 17 萬公裏。天琴一號已經於 2019 年 12 月 20 日成功發射。
中國科學院於 2016 年宣布了「太極計劃」，與天琴計劃不同，它的三星編隊軌域是以太陽為中心的，臂長大約為 300 萬公裏，2019 年 8 月 31 日成功發射了太極一號。
重力波探測的成功，不僅驗證了愛因斯坦的廣義相對論預言，更為人類開啟了一個全新的宇宙觀測視窗。
透過重力波探測，科學家們能夠超越傳統的電磁波觀測手段，探索那些曾經無法觸及的區域，揭示宇宙深處的奧秘。也期待中國的天琴計劃和太極計劃在未來取得卓越的成就。
